周期性微生物接种通过物种特异性效应与土著微生物群互作增强土壤团聚体稳定性

针对微生物接种改善土壤团聚体结构效果短暂的问题，研究人员通过周期性接种三种益生菌组合（MF、CB、MFCB），探究其对土壤团聚体动态、稳定性和生物物理化学驱动因素的影响。研究发现接种效果具有时间依赖性和菌种特异性，MF和MFCB通过促进胞外多糖（EPS）产生显著提高团聚体稳定性，而CB因促进植物根系生长反降低稳定性。该研究为微生物调控土壤结构提供了机制解析，对可持续土壤管理具有重要指导意义。

　　

论文解读

土壤是地球生命的基石，其结构稳定性直接关系到农业生产、生态平衡和气候变化应对。然而，传统微生物接种技术面临一个尴尬困境：虽然某些菌株能通过分泌胞外多糖（EPS）等物质粘合土壤颗粒，但这种改善往往昙花一现——外来微生物难以在复杂的土壤生态中持续存活。更棘手的是，不同菌种之间可能产生拮抗作用，而土著微生物群落对外来者的"排斥反应"又会进一步削弱接种效果。如何打破这种"短期有效，长期无效"的魔咒？南京林业大学等机构的研究团队在《Geoderma》发表的研究给出了创新答案。

研究人员采用周期性接种策略，选取两对功能互补的菌株组合：擅长EPS生产的"粘合剂双雄"（Bacillus megaterium和Pseudomonas fluorescens，简称MF）与促进土壤肥力的"固氮搭档"（Azotobacter chroococcum和Azospirillum brasilense，简称CB），以及四菌联用的"全能战队"（MFCB）。通过长达135天的动态监测，结合湿筛法、EPS定量、高通量测序和机器学习模型（随机森林与路径分析），系统解析了接种频率、菌种特性与土著微生物群的互作机制。

3.1 土壤团聚体结构的动态变化
通过湿筛法发现，所有处理中>2 mm大团聚体比例随时间自然增加，但接种显著改变了这一进程。MF处理在后期（135天）使2-1 mm团聚体比例提升70%，而CB处理反而降低该比例61%。这种菌种特异性效应通过主坐标分析（PCoA）得到可视化验证，表明团聚体重组存在明显的时间轨迹。

3.2 接种频率决定稳定性增益
平均重量直径（MWD）作为稳定性指标揭示关键规律：四菌联用的MFCB在45天时MWD最高（0.9±0.05 mm），但MF处理在135天实现逆袭（1.2±0.09 mm），比对照组提高21%。与之形成鲜明对比的是，CB处理最终使MWD降低38%，这种"先扬后抑"的模式暗示植物根系过度生长可能破坏团聚体结构。

3.3 EPS生产的菌株特异性
体外实验显示Pseudomonas fluorescens单株EPS产量达530.4 mg L^-1，是Azospirillum brasilense的1.8倍。这种差异在土壤中得到延续——MF和MFCB处理的EPS含量在135天时比对照组高27%，而CB处理EPS含量最低（1.23±0.09 mg kg^-1），证实EPS产量与团聚体稳定性呈正相关。

3.4 土著微生物的重编程作用
通过Mantel检验发现，细菌群落（而非真菌）与团聚体稳定性关联更强（R=0.35，P<0.01）。Acidobacteriota门中的Bryobacter、RB41等类群被随机森林模型识别为关键物种，其相对丰度变化可解释55%的MWD变异。竞争分析显示接种使细菌群落竞争指数（Levins指数）提升80%，这种"生存压力"可能刺激了EPS分泌。

3.5 机制模型的构建
广义联合属性模型（GJAM）敏感性分析表明，化学性质（如C:N比）对接种响应最敏感。路径模型进一步揭示：接种→细菌群落重构→EPS生产→MWD提升的间接路径效应量是直接路径的2.3倍，说明土著微生物的功能转化才是稳定性提升的核心驱动力。

这项研究颠覆了"接种菌株直接改善土壤"的传统认知，提出"菌群重编程"新机制：周期性接种如同"生态触发器"，通过持续刺激土著微生物（尤其是Acidobacteriota）的EPS生产功能，实现土壤结构的阶梯式改良。该发现为设计"菌株-群落"协同调控方案提供了理论基石，对退化土壤修复和智能生物肥料开发具有重要启示。值得注意的是，研究也警示单纯促进植物生长的接种策略可能适得其反——就像CB处理所示，根系过度发育反而会破坏土壤结构。未来研究需结合微生物包埋技术，在更接近田间条件的场景中验证这一生态工程的可行性。